自由立體顯示系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種三維顯示裝置，包括：背光，從可切換的孔縫發(fā)出光，該光經(jīng)過(guò)偏振；至少一個(gè)帶有多個(gè)像素的光調(diào)制面板，能夠被設(shè)為改變所述光的偏振；偏振器，使有限偏振范圍內(nèi)的光透過(guò)；其中每個(gè)光調(diào)制面板能夠改變所述偏振，使得經(jīng)所述偏振器通過(guò)的光既能夠增加也能夠減小，而無(wú)關(guān)于經(jīng)過(guò)該面板之前的光的偏振；并且其中所述孔縫的切換與所述至少一個(gè)光調(diào)制面板上的所述像素的切換同步。
【專(zhuān)利說(shuō)明】自由立體顯示系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維顯示系統(tǒng)，還被稱(chēng)為一種自由立體顯示裝置或一種光場(chǎng)顯示
>J-U ρ?α裝直。
【背景技術(shù)】
[0002]使觀察者用每只眼睛看見(jiàn)一個(gè)場(chǎng)景的不同透視圖是一種用于創(chuàng)建3D圖像的十分完善的方法。一種行之有效的手段是在屏幕上顯示兩個(gè)經(jīng)過(guò)不同偏振的圖像，并且對(duì)于觀察者要在每只眼睛上佩戴對(duì)應(yīng)的偏振濾鏡。
[0003]可使用孔縫(aperture)或狹縫(slit)陣列與二維(2D)顯示器結(jié)合顯示3D圖像來(lái)實(shí)施自由立體顯示器或三維(3D)顯示器。該設(shè)備的原理在于，當(dāng)通過(guò)狹縫陣列(該狹縫陣列與屏幕間隔開(kāi)一距離)看2D圖像時(shí)，則觀察者每只眼睛看到該2D圖像的不同部分。如果在2D顯示器上渲染并顯示適當(dāng)?shù)膱D像，則能夠向觀察者的每只眼睛顯示不同的透視圖像而無(wú)需他們?cè)诿恐谎劬ι吓宕鳛V鏡。
[0004]自由立體顯示在圖像獲取和呈現(xiàn)方面提供了額外的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。本發(fā)明致力于其中的一部分。
【具體實(shí)施方式】
[0005]如上所述，可使用掃描孔縫陣列2連同2D顯示器4 一起來(lái)實(shí)現(xiàn)自由立體顯示器，例如如圖1所示。在基本實(shí)施中，孔縫陣列2的孔縫6可為狹縫，但它們可以是任意形狀。孔縫陣列2可位于2D顯示器4和觀察者(數(shù)字8表示觀察線、觀察面或觀察空間)之間?？卓p陣列2還可如圖1中所示位于2D顯示器4后方。這種情況下，要么在孔縫陣列2后面有一均勻光源10，要么孔縫6自身可為光源10，以穿過(guò)孔縫表面的所有方向發(fā)出光。在后一種情形中，只有在某一時(shí)間點(diǎn)處打開(kāi)的孔縫或多個(gè)孔縫6會(huì)發(fā)出光?？卓p陣列2可被實(shí)施為使用LED或OLED或其他一些光源的掃描背光。在這一系統(tǒng)的一種實(shí)施中，所述掃描背光孔縫陣列2可為在所有角度發(fā)出均勻光的白光源。所發(fā)出的光還可在孔縫的表面上是均勻的。在另一種實(shí)施中，所述背光孔縫陣列2可具有方向特性，使得其僅為一個(gè)或數(shù)個(gè)觀察角度范圍提供光。這還可與頭部跟蹤結(jié)合，從而使光的方向朝著定位到觀察者的觀察方向。孔縫光源可具有打開(kāi)狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)或者可具有除簡(jiǎn)單的打開(kāi)和關(guān)閉之外的其他值。
[0006]2D顯示器4可為液晶顯示器(IXD)或其他透射顯示器。這種自由立體顯示器配置的一個(gè)問(wèn)題在于其需要2D顯示器非常高的切換速度，以便提供良好的深度特性和大角度的連續(xù)視差。并且，在傳統(tǒng)的2D IXD顯示器中，為了提供紅、綠和藍(lán)色的子像素(這是典型配置，但也可使用其他的基 色)，會(huì)有顏色濾鏡。在圖1所述的自由立體顯示器配置中，這會(huì)造成高觀察角度處看到的像素對(duì)齊問(wèn)題，其中所述子像素及其關(guān)聯(lián)的顏色濾鏡并未與視線對(duì)齊。進(jìn)一步，紅、綠和藍(lán)色子像素對(duì)于不同的觀察方向會(huì)具有不同的相對(duì)強(qiáng)度，這會(huì)使色彩再現(xiàn)劣化，如果孔縫6是使用單獨(dú)的紅、綠和藍(lán)基色光源的掃描背光則尤其如此。在這種情況下，可實(shí)施不帶顏色濾鏡的2D顯示器并且時(shí)序性地顯示每種基色。然而，這需要2D顯示器更高的切換速度。衍射和散射效應(yīng)也會(huì)影響性能。
[0007]圖2顯示一替代配置，其中所述2D顯示器包括一個(gè)以上的2D顯示器。在該示例中具有三個(gè)2D顯示器4a、4b、4c，每個(gè)用于一種特定基色。例如，顯示器I (4a)可為這樣的LCD，其每個(gè)像素的取值范圍能夠位于對(duì)所有顏色完全透明和僅完全阻隔紅色光(且保持在所有狀態(tài)中對(duì)所有其他顏色完全透明)之間，而顯示器2 (4b)具有同樣的特性只是其能夠僅阻隔藍(lán)色光，且顯示器3 (4c)僅阻隔綠色光。所述掃描孔縫光源6也可由結(jié)合有三個(gè)光頻帶的白色光源組成，所述三個(gè)光頻帶(在該示例中為紅、綠和藍(lán))能夠由每個(gè)顯示器I至3來(lái)阻隔。所述掃描孔縫光源還可具有對(duì)應(yīng)每個(gè)所述頻帶實(shí)體隔開(kāi)的多個(gè)光源。所述光源(多個(gè))和顯示器可匹配為使得該光源不發(fā)出組合的顯示器4a、4b、4c無(wú)法阻隔的任何可見(jiàn)光頻率。
[0008]另一示例可以是具有六個(gè)顯示器，其中紅、綠和藍(lán)色頻帶每個(gè)都分成兩個(gè)。這樣會(huì)有一個(gè)顯示器僅阻隔高頻藍(lán)色而一個(gè)顯示器僅阻隔低頻藍(lán)色。類(lèi)似地，紅色和綠色會(huì)具有用于低頻帶和高頻帶的不同顯示器。
[0009]另一示例可以是具有兩個(gè)顯示器，其中每個(gè)顯示器能夠阻隔不同偏振的光。
[0010]另一示例在圖3中說(shuō)明。仍存在孔縫光源310。其可被設(shè)計(jì)為送出例如O度的偏振光，或者可在孔縫光源和包括一個(gè)或多個(gè)顯示器320的顯示器4之間存在其能夠改變光特性的偏振器。在該示例中，使用的是液晶面板，但可使用具有適當(dāng)特性的任意光調(diào)制設(shè)備。在圖3的示例中，有兩個(gè)液晶面板LCl (320a)和LC2 (320b)，例如為扭轉(zhuǎn)向列盒(twistednematic cell)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，同樣可使用具有使用不同于扭轉(zhuǎn)向列盒的其他技術(shù)的期望偏振操控特性的液晶盒。注意到以下的示例使用了術(shù)語(yǔ)扭轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)角度，這里另一種表達(dá)方式可以是使用術(shù)語(yǔ)偏振旋轉(zhuǎn)和X度的偏振旋轉(zhuǎn)。偏振器330被設(shè)置用以使經(jīng)最后的液晶面板320b通過(guò)的光偏振。偏振器330起到類(lèi)似濾鏡的作用，根據(jù)經(jīng)最后的液晶面板通過(guò)的光的偏振來(lái)限制到達(dá)觀察者的光。
[0011]第一面板LCl (320a)在關(guān)斷狀態(tài)下具有O扭轉(zhuǎn)以及在全開(kāi)狀態(tài)(電壓Von)下具有90度負(fù)扭轉(zhuǎn)(逆時(shí)針)。第二面板LC2 (320b)在關(guān)斷狀態(tài)下具有O扭轉(zhuǎn)以及在全開(kāi)狀態(tài)(電壓Von)下具有180度正扭轉(zhuǎn)(順時(shí)針)。兩個(gè)面板都能夠在施加Voff與Von之間的電壓V時(shí)提供中間的扭轉(zhuǎn)值。注意到在該示例中使用了 O的關(guān)斷電壓，但其也可以是另一電壓Voff。全開(kāi)狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)可使用上述示例以外的不同值。它們可以被設(shè)置為使得:
[0012]a)第一面板LCl能夠提供這樣的輸出，其根據(jù)所施加的電壓能夠提供與偏振器330 (其在LCl之前提供固定偏振)的偏振平行或垂直的偏振；
[0013]b)第二面板LC2能夠提供這樣的輸出，其根據(jù)所施加的電壓能夠不考慮進(jìn)入面板LC2之前的光的偏振而提供與偏振器330的偏振平行或垂直的偏振。光在LC2之前可能的偏振狀態(tài)取決于LCl的特性。
[0014]c)該方法不限于兩個(gè)面板?？墒褂萌我鈹?shù)目的面板。從而每個(gè)面板能夠不考慮進(jìn)入該面板之前的光的偏振而提供與偏振器330的偏振平行或垂直的偏振。例如，在以上示例中第三面板如果放置在LC2之后則可提供O到180度之間的負(fù)扭轉(zhuǎn)。每個(gè)面板可由兩個(gè)或更多的子面板組成，這些子面板一起工作以提供必要的特性。
[0015]現(xiàn)在將參照示例光線LI來(lái)說(shuō)明所述操作。該光線LI以O(shè)度偏振離開(kāi)孔縫光源310的孔縫A3。[0016]情況1:LC1上的像素P3被設(shè)為0，所以光在LC2之前仍為O度。^:2上的像素卩’3現(xiàn)在可被設(shè)為提供O度扭轉(zhuǎn)，在該情況下所有的光將被偏振器330阻隔并且輸出將為黑色。如果代之以將P’3設(shè)為低于Von的值以提供正90度扭轉(zhuǎn)，則所有光都將經(jīng)偏振器330通過(guò)且輸出將為全部強(qiáng)度。P’ 3還可被設(shè)為Von且提供180度扭轉(zhuǎn)，這又可意味著所有光都被偏振器330阻隔。
[0017]情況2 =LCl上的像素P3被設(shè)為Von，且所述光線在LC2之前將具有_90度扭轉(zhuǎn)，如果P’ 3被設(shè)為O則光在LC2上的P’ 3之后仍將具有-90度扭轉(zhuǎn)，且所有光都將經(jīng)偏振器330通過(guò)，以及輸出將為全部強(qiáng)度。如果代之以將P’3設(shè)為低于Von的值以提供正90度扭轉(zhuǎn)，則輸出光將處于O度，在該情況下所有光都將被偏振器330阻隔。
[0018]情況3:LC上的像素P3被設(shè)為Vn，從而使得所述光線在LC2之前將具有-N度扭轉(zhuǎn)(0〈N〈90)。LC2上的像素P’3現(xiàn)在可被設(shè)為Vn’以提供+N度扭轉(zhuǎn)，從而使得來(lái)自LC2的輸出為O度扭轉(zhuǎn)，且光將被偏振器330阻隔。像素P’ 3還可被設(shè)為Vm’以提供+M度扭轉(zhuǎn)(0〈M〈180)。如果M=N+90，則光在LC2上的P’ 3之后將具有90度扭轉(zhuǎn)，且所有光都將經(jīng)偏振器330通過(guò)，以及輸出將為全部強(qiáng)度。
[0019]從以上三種情況示出，與P3的狀態(tài)無(wú)關(guān)，P’3能夠改變偏振以提供所有輸出狀態(tài)。換言之，有許多種P3和P’3的狀態(tài)組合能夠提供相同的輸出狀態(tài)。這里應(yīng)當(dāng)提到，LCl還可被設(shè)計(jì)為能夠提供更高的負(fù)扭轉(zhuǎn)，例如180度，在這種情況下甚至還可有更多種狀態(tài)組合。
[0020]圖4和圖5解釋了這樣如何能夠改善自由立體顯示系統(tǒng)。首先考慮如圖4中所示的單面板系統(tǒng)。這里觀察線被限制為使得觀察者通過(guò)顯示器4上的每個(gè)像素400僅看到一個(gè)亮著的孔縫6 (在該討論中忽略觀察線邊緣處的邊界效應(yīng))。該示例使用了觀察線8，但其還可以是面或空間。
[0021]如果觀察線8如圖5所示增長(zhǎng)，則不再是這樣的情況。這里，對(duì)于顯示器4上的每個(gè)像素400，始終有這樣一個(gè)位置:在該處通過(guò)像素400看到一個(gè)亮著的孔縫6 ;且有另一個(gè)位置:在該處通過(guò)同一像素看到第二個(gè)亮著的孔縫。對(duì)于包括單面板的顯示器4而言這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橐粋€(gè)像素僅能取一個(gè)值，且該值對(duì)于每個(gè)亮著的孔縫應(yīng)當(dāng)是獨(dú)立的。這就是為什么包括一個(gè)顯示面板的顯示器將觀察線限制為圖4中那樣的原因。然而，如果使用兩個(gè)面板帶有圖3中說(shuō)明的特性，則能夠在亮著的孔縫之間距離固定的情況下加寬觀察線(還可以選擇保持相同的觀察線而使亮著的孔縫之間的距離更小)。
[0022]圖6說(shuō)明了這樣是如何工作的。該圖顯示了由觀察者在觀察線8看到的且取決于LC2上像素P’N狀態(tài)的所有光矢量。這些矢量可通過(guò)考慮系統(tǒng)的幾何形狀來(lái)確定。例如:
[0023]1.首先繪示經(jīng)亮著的孔縫、像素P’ N和觀察線通過(guò)的矢量。如此得到矢量V2和V4。然后這些矢量經(jīng)LCl上的兩個(gè)像素(PN+1和PN-1)通過(guò)。
[0024]2.然后繪示經(jīng)過(guò)亮著的孔縫、所述兩個(gè)像素其中之一和觀察線的矢量。匹配這一標(biāo)準(zhǔn)的唯一矢量為經(jīng)LC2上的像素P’ N-2通過(guò)的VI。
[0025]3.然后繪示經(jīng)過(guò)亮著的孔縫、像素P’ N-2和觀察線的矢量。除Vl之外，僅有V3匹配這一標(biāo)準(zhǔn)且其經(jīng)過(guò)LCl上的像素PN-3。
[0026]4.然后繪示經(jīng)過(guò)亮著的孔縫、像素PN-3和觀察線的矢量。沒(méi)有額外的矢量匹配這一標(biāo)準(zhǔn)(V3是在前一步驟中得到)。
[0027]基于顯 示的場(chǎng)景，每個(gè)矢量應(yīng)當(dāng)具有將被稱(chēng)為V1、V2、V3和V4的值?，F(xiàn)在可建立等式以限定每個(gè)像素應(yīng)取的狀態(tài):
[0028](PN-1) + (P，N-2) =Vl
[0029](PN+1) + (P，N)=V2
[0030](PN_3) + (P，N_2)=V3
[0031](PN-1) + (P，N)=V4
[0032]由于未知量比等式多，所以將能夠?yàn)槊總€(gè)像素設(shè)置多個(gè)狀態(tài)以提供正確的輸出值。下面的表格顯示對(duì)于矢量的輸出值示例，并顯示如何通過(guò)表達(dá)為扭轉(zhuǎn)的像素值來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種三維顯示裝置，包括: 背光，從可切換的孔縫發(fā)出光，該光經(jīng)過(guò)偏振； 至少一個(gè)帶有多個(gè)像素的光調(diào)制面板，能夠被設(shè)為改變所述光的偏振； 偏振器，使有限偏振范圍內(nèi)的光透過(guò)； 其中每個(gè)光調(diào)制面板能夠改變所述偏振，使得經(jīng)所述偏振器通過(guò)的光既能夠增加也能夠減小，而無(wú)關(guān)于經(jīng)過(guò)該面板之前的光的偏振；并且其中所述孔縫的切換與所述至少一個(gè)光調(diào)制面板上的所述像素的切換同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光調(diào)制面板為液晶顯示器。
3.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述帶有孔縫的背光為L(zhǎng)ED或OLED顯示器。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述光調(diào)制面板上像素的狀態(tài)根據(jù)一角度而改變，通過(guò)該角度觀察者將經(jīng)該像素看到亮著的孔縫。
5.一種自由立體顯示裝置或光場(chǎng)顯示裝置，包括: 背光，包括多個(gè)孔縫，其中每個(gè)孔縫能夠在發(fā)出不同特性的光之間切換； 至少一個(gè)包括多個(gè)像素的光調(diào)制面板，能夠改變進(jìn)入該面板的光的特性，使得所得到的用于觀察者的光強(qiáng)度能夠基于該光調(diào)制面板的狀態(tài)而與沒(méi)有光調(diào)制面板時(shí)感知到的強(qiáng)度相比既能增大和也能減??； 對(duì)所述背光孔縫和所述至少一個(gè)光調(diào)制面板的切換是同步的。
【文檔編號(hào)】H04N13/04GK103918256SQ201280035504
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月17日
【發(fā)明者】拉斯·湯瑪斯·克里斯蒂安·埃里克森, 克里斯蒂安·尼古拉·莫勒 申請(qǐng)人:塞特雷德股份公司